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天目Tech+捕捉“天外来客”:“拉索”首席科学家揭秘观测宇宙线的故事

科技 | Post by: 小橙圈 | 1/20/22 1:0 | 575

本文转自:天目新闻

揭示宇宙的奥秘,是人类不懈的追求。如何探测遥远宇宙?研究宇宙线及其起源是重要途径之一。

宇宙线多为带电的高能量粒子流,主要由质子、各种原子核组成。它携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息。

早在上世纪四五十年代,我国就开始了宇宙线研究。然而,观测宇宙线并非易事。为此,高海拔宇宙线观测站“拉索”(LHAASO)应运而生。

1月18日,“拉索”首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻在一场直播中,分享了有关超高能光子和“拉索”的诸多细节。

天目Tech+捕捉“天外来客”:“拉索”首席科学家揭秘观测宇宙线的故事

直播截图

宇宙线

不易探测的太空“信使”

一百多年前,通过乘坐热气球进行测量,科学家们发现了宇宙线的存在。

它来自宇宙深处,主要由带电粒子组成,如质子、各种原子核等。这些“天外来客”携带着有关宇宙起源、天体演化等科学信息,以接近光速的速度向外飞行,其中一些粒子具有巨大的能量。

作为重要的太空“信使”,宇宙线被发现后,与之相关的研究不断涌现。

然而,宇宙线高能粒子是如何被加速出来的?它的起源天体又是什么?对此,科学家始终没有确切答案,堪称“世纪之谜”。

曹臻介绍,一方面,捕捉宇宙线并非易事。随着能量的升高,宇宙线强度迅速下降。在1015eV能量,每平米每年才有一个宇宙线粒子,十分稀少。

另一方面,宇宙里不仅弥漫着大大小小、强度不等的磁场,而且它们的分布非常紊乱。“经过磁场的偏转,这些带电的宇宙线粒子就‘迷糊’了。到达地球时,它们‘乱成一锅粥’,我们便无从得知它们究竟从何而来。”曹臻解释道。

幸好,宇宙中还存在一些为数不多的伽马射线和中微子。它们是不带电的粒子,不受磁场干扰。追踪这些粒子,有望帮助科学家找到宇宙线的源头。

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观测基地全景航拍 图源:LHAASO官网

“拉索”

有望攻克世纪之谜

在海拔4410米的四川省稻城海子山上,高海拔宇宙线观测站“拉索”正孜孜不倦地探寻着宇宙线的痕迹。

在宇宙线的起源地,宇宙线会与当地的介质碰撞,产生中性高能伽马射线,一些伽马射线就沿直线来到了地球。捕捉伽马射线,是间接探测宇宙线起源的重要手段,这也是“拉索”冲击世纪之谜的秘密武器。

曹臻介绍,“拉索”每时每刻都在接收来自宇宙的信号——混杂着宇宙线粒子和超高能伽马光子。

“光子跟宇宙线的最大差别在于,它来自一个确定的方向,而宇宙线来自各个方向,而且各个方向都是一样多的粒子。”曹臻说。

借助科学方法,“拉索”团队先将光子单独筛选出来。而后,按照光子方向,他们将其放置到对应的天球坐标系中。“拉索”团队发现,这些光子信号来自特定的方向,一团一团地聚集在12个不同的区域,即超高能伽马射线光子源。

其中,“拉索”团队还记录到能量达1.4拍电子伏的伽马光子(拍=千万亿)。这是迄今人类观测到的最高能量光子,突破了人类对银河系粒子加速的传统认知,开启“超高能伽马天文学”时代。

2021年5月17日和7月5日,相关重磅成果相继发布在《自然》和《科学》杂志上,有望成为解开宇宙线起源这个“世纪之谜”的突破口。

天目Tech+捕捉“天外来客”:“拉索”首席科学家揭秘观测宇宙线的故事

暴雪后的缪子探测器阵列 图源:LHAASO官网

未来

继续在“无人区”深耕

作为目前世界上海拔最高、规模最大、灵敏度最强的宇宙射线探测装置,未来,“拉索”将去往何方?

曹臻表示,“拉索”将继续深耕“世纪之谜”,通过长时间的积累,助力科学家回答两大重大科学难题——高能粒子的加速过程和超高能伽马射线的辐射机制。

据了解,设计之初,“拉索”就瞄准了超高能伽马射线的观测能区。此前,这个领域从未有过灵敏度媲美“拉索”的探测器。从这个角度而言,“拉索”相当于进入了一个科学上的“无人区”。

事实上,现在观测到的12个超高能伽马射线光子源仅是最亮的一批。曹臻表示,“拉索”的设计能力可以探测比它们暗弱七十倍的伽马射线源,因此还有广阔的发现空间。

此外,“拉索”这个复合探测器还能测量特定成分的宇宙线在地球上的能量分布。“这在世界上是独一无二的。”曹臻说。

如若能对此进行系统性研究,将测好的宇宙线分布与从源出发、经过星际空间传播过来的宇宙线对照起来,科学家有望对宇宙线起源问题做一个清晰、全面的描述。

“目前来看,未来10年之内,世界上都不太可能出现一个可替代‘拉索’的新项目。我对‘拉索’的未来充满了信心。”曹臻说。

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探测器阵列航拍 图源:LHAASO官网


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